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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen mechanische Pumpen und insbesondere
eine Pumpe, die zum Pumpen eines Fluids, das eine Flüssigkeit,
ein Gas oder eine Kombination davon sein kann, verwendet werden
kann und die speziell zum Pumpen kryogener Fluide geeignet ist.
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Kryogene
Fluide, wie etwa verflüssigter
Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Argon oder verflüssigte Luft,
sowie verflüssigte
Kohlenwasserstoffe, wie etwa verflüssigtes Methan, Butan, Propan
oder Erdgas, werden typischerweise in mit Druck beaufschlagten Behältern aufbewahrt
und transportiert. Die Behälter
sind typischerweise gut isoliert und auf sehr tiefe Temperaturen
gekühlt.
Pumpen werden verwendet, um derartige Fluide zwischen Behältern oder
von einem Behälter
zu einer Verwendungsstelle umzulagern. Während viele Pumpentypen für diese Verwendungsarten
entworfen wurden, werden mechanische Pumpen des Hubkolbentyps bei
vielen Anwendungsarten bevorzugt.
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Hubkolbenpumpen
müssen
im Allgemeinen eine erforderliche Zulaufhöhe (NPSH, net positive suction
head), d. h. eine Saughöhe über null
aufweisen, um den Ansaugverlust zu verhindern und/oder jede Neigung
zur Hohlraumbildung in der Pumpe zu verhindern oder zu verringern.
NPSH ist der erforderliche Zusatzdruck über dem Sättigungsdampfdruck einer Flüssigkeit
bei einer gegebenen Temperatur. Hohlraumbildung ist die Bildung
von mit Dampf gefüllten
Hohlräumen
in der Flüssigkeit,
die in Bereichen der Pumpe bewirkt wird, in denen der Druck der bewegten
Flüssigkeit
unter den Sättigungsdampfdruck
fällt.
Während
der Kompression können
die kollabierenden Hohlräume
einen Druckstoß,
Vibration, Geräusch
und die Erosion von metallischen Oberflächen bewirken, was jeweils
die Pumpe beschädigen
kann.
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Die
Kryogenpumpe, die im Patent US-A-5.188.519 (Splugis) offenbart ist,
enthält
einen Zylinder mit einem Flüssigkeitseinlass
und einem Flüssigkeitsauslass
und einen Kolben, der in dem Zylinder und im Allgemeinen zwischen
dem Flüssigkeitseinlass
und dem Flüssigkeitsauslass
hin und her bewegbar ist. Der Kolben weist einen Flüssigkeitsströmungsdurchlass
auf, der koaxial mit dem Zylinder durch den Kolben verläuft, wobei
der Flüssigkeitsströmungsdurchlass
ein Einlassende, das mit dem Flüssigkeitseinlass
des Zylinders in Fluidverbindung steht, und ein Auslassende, das
mit dem Flüssigkeitsauslass
des Zylinders in Fluidverbindung steht, aufweist. Eine Kolbenstange
ist an dem Kolben befestigt, um den Kolben in dem Zylinder in einer Richtung
zu dem Flüssigkeitsauslass
des Zylinders hin und her zu bewegen. Ein Ventil, das betriebsfähig mit
der Kolbenstange und dem Einlassende des Flüssigkeitsströmungsdurchlasses
des Kolbens verbunden ist und zwischen diesen angeordnet ist, öffnet und
schließt
abwechselnd den Einlass der Flüssigkeitsströmung, wobei
das Ventil geschlossen ist, wenn die Kolbenstange und der Kolben
in die Richtung zum Flüssigkeitsauslass
des Zylinders bewegt werden, und geöffnet ist, wenn die Kolbenstange
und der Kolben in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden.
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Die
Hubkolben-Kryogenpumpe, die im Patent US-A-4.239.460 (Golz) offenbart
ist, ist so beschaffen, dass sie mit einem sehr kleinen Wert NPSH arbeitet.
Diese Pumpe verwendet einen Hubkolben, der ein zylindrisches Gehäuse in eine
Niederdruckkammer und eine kleinere Hochdruckkammer unterteilt.
Eine Gaseinlassöffnung
verläuft
durch die Seite des Gehäuses,
um verflüssigtes
Gas in die Niederdruckkammer zu leiten. Ein feststehender Kolben
erstreckt sich von einem Auslassende des Gehäuses in die Hochdruckkammer.
Der feststehende Kolben gleitet in einer zylindrischen Einfassung,
die von dem Hubkolben getragen wird. Mit Druck beaufschlagtes, verflüssigtes
Gas wird durch einen Durchlass in dem feststehenden Kolben zu einem
Auslass geführt.
Sicherheitsventile steuern die Strömung des verflüssigten
Gases durch den Einlass, die mehreren Kammern und den Auslass. Während des
Betriebs wird das Einlassfluid in der Niederdruckkammer komprimiert,
wobei versucht wird, in die Pumpe eintretendes Gas zu kondensieren,
so dass die resultierende Flüssigkeit
in die Hochdruckkammer gedrückt
werden kann. Wenn keine ausreichende Menge des Gases zum Komprimieren
zur Verfügung
steht, ermöglichen Löcher in
der Niederdruckkammer, dass überschüssige Flüssigkeit
in einen Vorratsbehälter
zurückgeführt wird,
so dass die Kammer bei einem verhältnismäßig geringen Druck bleibt.
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Die
Patente US-A-4.447.195 (Schuck) und 4.559.786 (Schuck) offenbaren
eine Zweistufenpumpe, die im Wesentlichen aus zwei separaten Pumpen,
die durch Rohrleitungen verbunden sind, hergestellt ist und die
zwei Kammern aufweist. Gepumptes Fluid muss beide Kammern durchlaufen,
die keinen dazwischen liegenden Pfad zur Rückleitung zu einem Vorratsbehälter aufweisen.
Wenn das Pumpen einen unzulässig
hohen Druck zwischen den beiden Stufen dieser Zweistufenpumpe zur
Folge hat, wird der überschüssige Druck
durch ein Entlastungsventil abgeleitet.
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Das
Patent US-A-4.639.197 (Tornare u. a.) offenbart eine Pumpe für kryogene
Fluide, die zwei Kolben aufweist, die durch eine gemeinsame Stange verbunden
sind. Der erste Kolben besitzt einen geringfügig größeren Durchmesser als der zweite
Kolben, so dass die zweite Kompressionskammer ein geringfügig kleineres
Volumen besitzt als die erste Kompressionskammer. Wenn überschüssige Flüssigkeit
in der ersten Stufe dieser Zweistufenpumpe vorhanden ist, läuft die überschüssige Flüssigkeit
direkt durch die zweite Stufe, wobei die erste Stufe den vollen
Entladedruck erzeugt.
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Das
Patent US-A-5.575.626 (Brown u. a.) offenbart eine zweistufige Kryogenpumpe,
die der Pumpe ähnlich
ist, die im Patent US-A-4.239.460 (Golz) offenbart ist. Der Hauptunterschied
besteht darin, dass diese Pumpe ein zusätzliches Merkmal besitzt, und
zwar die Möglichkeit,
dass sie Flüssigkeit vom
Boden eines Behälters
fördern
kann und nicht außerhalb
eines Behälters
angebracht ist.
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Das
Patent US-A-5.884.488 (Graham u. a.) offenbart eine Einstufenpumpe,
die lediglich zum Pumpen von Flüssigkeit
vorgesehen ist (keine Zweistufenpumpe, die zum Pumpen von Zweiphasenfluiden
entworfen ist). Obwohl diese Pumpe zwei Kammern besitzt, ist die
zweite Kammer in der Pumpe nicht als Kompressionskammer vorgesehen.
Das Volumen der zweiten Kammer ist sehr groß, so dass das Kompressionsverhältnis äußerst gering
ist. Eine Ausführungsform
der Pumpe besitzt eine erste Kammer und eine zweite Kammer, die
mit der ersten Kammer in Verbindung steht, eine dritte Kammer, die mit
der zweiten Kammer in Verbindung steht, und einen Hubkolben, der
die erste, die zweite und die dritte Kammer voneinander trennt und
Gas und Flüssigkeit
ansaugt und in einer der Kammern komprimiert.
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Das
Patent US-A-5.511.955 (Brown u. a.) offenbart eine Kryogenpumpe
mit einem Hubkolben, der in einem ersten zylindrischen Gehäuse angeordnet
ist und den Innenraum des Gehäuses
in eine Ladekammer und eine Evakuierungskammer an gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens unterteilt. Wenigstens eine Ladekammer-Einlassöffnung verläuft durch das
zylindrische Gehäuse
direkt hinter dem Hubkolben, um verflüssigtes Gas von einem Einlass
für verflüssigtes
Gas in die Ladekammer zu leiten. Ein feststehender Kolben ist in
dem Gehäuse
angebracht und erstreckt sich in die Evakuierungskammer. Der feststehende
Kolben ist an einer Umhüllung
in Eingriff, die von dem bewegbaren Kolben getragen wird, und bildet
eine Hochdruckkammer zwischen dem bewegbaren und dem feststehenden
Kolben. Ein Auslass für
verflüssigtes
Gas verläuft
durch den feststehenden Kolben von der Hochdruckkammer zu dem endgültigen Auslass.
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Das
Patent DE-A-19 837 332 offenbart eine Steuereinheit zum Steuern
des Druckaufbaus durch eine Pumpeinheit in einem Kraftstoffeinspritzsystem. Die
Steuereinheit besitzt ein Steuerventil und eine Ventilbetätigungseinheit,
die mit dem Steuerventil verbunden ist, um das Steuerventil wahlweise
zu betätigen.
Das Steuerventil besitzt einen Ventilkörper, der in einem Gehäuse axial
bewegbar ist, um die Strömung
durch das Steuerventil zu drosseln, wenn das Steuerventil um einen
kleinen Hub geöffnet
wird, und um eine ungehinderte Strömung durch das Steuerventil
zuzulassen, wenn der erste Ventilkörper über den kleinen Hub hinaus
geöffnet
wird.
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Das
Patent FR-A-2 556 050 offenbart eine Tauchkolbenpumpe für flüssigen Wasserstoff
mit einem Kolben, der die Kammer in eine Ansaug- und eine Abgabekammer
unterteilt, mit ventilgesteuerten Einlass- und Auslasskanälen. Ein
Kanal durch den Kolben verbindet die Kammern und wird durch einen Stopfen
verschlossen, wenn sich der Kolben zur Abgabekammer bewegt, und
wird bei einer Bewegung in die andere Richtung geöffnet.
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Es
gibt verschiedene Probleme bei den Pumpen des Standes der Technik,
die zum Pumpen kryogener Flüssigkeiten
verwendet werden. Die Zweistufenpumpen des Standes der Technik ermöglichen
z. B. nicht notwendigerweise, dass das gesamte Fluid, das durch
die erste Stufe gepumpt wurde, durch die Pumpe zum Auslass weitergeleitet
wird, wobei das zusätzliche
Fluid zu einem Behälter
zurückgeleitet werden
muss. Außerdem
benötigen
einige der Pumpen des Standes der Technik überdimensionierte Motoren,
um eine Zusatzleistung bereitzustellen, die während des Kompressionshubs
erforderlich ist, oder große
Schwungräder,
um Energie während
des Ansaughubes zu speichern.
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Es
ist eine Zweistufenpumpe erwünscht,
die als eine Einstufenpumpe arbeitet, wenn am Einlass geeignete
Fluidbedingungen vorhanden sind, so dass das gesamte gepumpte Fluid
zum Auslass durchläuft.
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Es
ist ferner eine Zweistufenpumpe mit einem einzelnen Gehäuse erwünscht, wobei
die Abmessungen und die Kosten im Vergleich zu den Abmessungen und
Kosten von Pumpen des Standes der Technik verhältnismäßig klein sind.
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Es
ist außerdem
ferner eine Zweistufenpumpe erwünscht,
die kein Schwungrad oder einen überdimensionierten
Motor zum Speichern von Energie benötigt und die stattdessen während des
Ansaughubes Energie als Druck in der Pumpe speichert.
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Es
ist außerdem
eine verbesserte Hubkolbenpumpe zum Pumpen kryogener Fluide erwünscht, die
die Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik überwindet,
um bessere und vorteilhaftere Ergebnisse bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Hubkolbenpumpe zum Pumpen mindestens
eines Fluids, das eine Flüssigkeit,
ein Gas oder eine Kombination davon sein kann. Eine erste Ausführungsform
der Pumpe enthält
ein Gehäuse,
einen Kolben, der in dem Gehäuse
für eine
Hubbewegung gleitbar angebracht ist, eine Welle, die mit dem Kolben
verbunden ist und für
eine Hubbewegung im Gleichtakt mit dem Kolben geeignet ist, ein
Einlassventil, ein Auslassventil und eine Zwischenstufen-Ventileinrichtung. Das
Gehäuse
besitzt eine Längsachse,
mindestens eine Innenwand, ein erstes Ende, ein zweites Ende, das
dem ersten Ende gegenüberliegt,
einen Einlass anliegend an das erste Ende, einen Auslass zwischen
dem zweiten Ende und dem Einlass und einen offenen Innenraum zwischen
der mindestens einen Innenwand und dem ersten und dem zweiten Ende. Der
Kolben ist in dem Gehäuse für eine Hubbewegung,
die im Allgemeinen parallel zur Längsachse des Gehäuses verläuft, gleitbar
angebracht. Der Kolben besitzt eine erste Querschnittsfläche, ein
vorderes Ende, das dem ersten Ende zugewandt ist, und ein hinteres
Ende, das dem vorderen Ende gegenüberliegt, und unterteilt den
offenen Innenraum anliegend an dem Einlass in eine erste Kammer
mit einem ersten Volumen und anliegend an dem Auslass in eine zweite
Kammer mit einem zweiten Volumen. Das erste und das zweite Volumen
variieren umgekehrt mit der Hubbewegung des Kolbens. Die erste Kammer
steht mit dem Einlass in einer einstellbaren Fluidverbindung und
die zweite Kammer steht mit dem Auslass in einer einstellbaren Fluidverbindung und
die erste und die zweite Kammer stehen in einer einstellbaren Fluidverbindung.
Die Welle, die ein vorderes Ende, das mit dem hinteren Ende des
Kolbens verbunden ist, und ein hinteres Ende, das dem vorderen Ende
gegenüberliegt,
aufweist, ist für
eine Hubbewegung im Gleichtakt mit dem Kolben geeignet, wobei mindestens
ein Teil der Welle in der zweiten Kammer angeordnet ist. Das Einlassventil
steht mit dem Einlass in Verbindung und ist zum Einstellen des Fluids,
das durch den Einlass zur ersten Kammer strömt, geeignet. Das Auslassventil
steht mit dem Auslass in Verbindung und ist zum Einstellen des Fluids,
das von der zweiten Kammer durch den Auslass strömt, geeignet. Die Zwischenstufen-Ventileinrichtung
steht mit der ersten und der zweiten Kammer in Verbindung und ist
zum Einstellen des Fluids, das von der ersten Kammer zur zweiten
Kammer strömt, geeignet.
Die Zwischenstufen-Ventileinrichtung ist während eines Ansaughubes geschlossen
und während
eines Kompressionshubes offen, wobei der Ansaughub und der Kompressionshub
während
der Hubbewegung des Kolbens abwechselnd auftreten.
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Mit
Hubkolbenpumpen können
verschiedene Typen von Fluid gepumpt werden, die kryogene Fluide
enthalten, jedoch nicht auf diese beschränkt sind. Bei einer Variation
ist mindestens ein Anteil des Fluids ein Einphasenfluid. Bei einer
weiteren Variation ist mindestens ein Anteil des Fluids ein Zweiphasenfluid.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Kolben relativ zu dem Gehäuse beweglich und das Gehäuse hat
eine feststehende Position. In einer weiteren Ausführungsform
hat der Kolben eine feststehende Position und das Gehäuse ist
relativ zu dem Kolben bewegbar.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
besitzt der Teil der Welle, der in der zweiten Kammer angeordnet
ist, eine zweite Querschnittsfläche,
die im Wesentlichen etwa der Hälfte
der ersten Querschnittsfläche
entspricht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält die
Pumpe eine Dichteinrichtung, die so beschaffen ist, dass sie mindestens
eine Abdichtung zwischen der Innenwand des Gehäuses und einer äußeren Oberfläche des
Kolbens in einer abwechselnden Weise während der Hubbewegung bereitstellt.
Die Abdichtung wird vorzugsweise während des Ansaughubes bereitgestellt.
Die bevorzugte Dichteinrichtung enthält mindestens einen Kolbenring,
der am Umfang des Kolbens angebracht ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist mindestens ein Teil der Zwischenstufen-Ventileinrichtung an dem Kolben angebracht.
Bei einer Variation enthält
die Zwischenstufen-Ventileinrichtung eine Einlassöffnung in
der Innenwand anliegend an die erste Kammer, eine Auslassöffnung in
der Innenwand anliegend an die zweite Kammer und eine Übertragungseinrichtung,
die angepasst ist, um mindestens einen Teil des Fluids von der Einlassöffnung zur
Auslassöffnung
zu übertragen,
wobei die Einlassöffnung in
Fluidverbindung mit der ersten Kammer steht und die Auslassöffnung in
Fluidverbindung mit der zweiten Kammer steht.
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Es
gibt außerdem
weitere Ausführungsformen
der Erfindung, z. B. eine Hubkolbenpumpe zum Pumpen mindestens eines
Fluids. Eine derartige Ausführungsform
enthält
ein Gehäuse,
einen Kolben, der in dem Gehäuse
für eine
Hubbewegung gleitbar angeordnet ist, eine Welle, die mit dem Kolben
verbunden und für
eine Hubbewegung im Gleichtakt mit dem Kolben angepasst ist, eine
Einrichtung zum Einstellen des Fluids durch den Einlass zur ersten
Kammer, eine Einrichtung zum Einstellen des Fluids, das von der
zweiten Kammer durch den Auslass strömt, und eine Einstelleinrichtung
zum Einstellen des Fluids, das von der ersten Kammer zur zweiten
Kammer strömt,
wobei die Einstelleinrichtung während
eines Ansaughubes geschlossen ist und während eines Kompressionshubes
offen ist, wobei der Ansaughub und der Kompressionshub während der
Hubbewegung des Kolbens abwechselnd auftreten. Bei dieser Ausführungsform
sind das Gehäuse,
der Kolben und die Welle im Wesentlichen gleich dem Gehäuse, dem Kolben
bzw. der Welle der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
oder sind diesen ähnlich.
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Diese
alternative Ausführungsform
kann außerdem
verwendet werden, um verschiedene Typen von Fluiden zu pumpen, die
kryogene Fluide enthalten, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
Bei einer Variation dieser Ausführungsform
besitzt der Teil der Welle, der in der zweiten Kammer angeordnet
ist, eine zweite Querschnittsfläche,
die im Wesentlichen etwa einer Hälfte
der ersten Querschnittsfläche
entspricht.
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Die
Erfindung wird lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
teilweise geschnittene Ansicht der vorliegenden Erfindung ist; und
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2 eine
schematische Darstellung ist, die die Pumpe der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Die
Erfindung ist eine Zweistufenpumpe, die zum Pumpen kryogener Fluide
besonders geeignet ist. Die Pumpe kann jedoch außerdem bei anderen Typen von
Fluiden verwendet werden, die Flüssigkeiten,
Gase oder Kombinationen aus Flüssigkeit
und Gas sein können.
Die Pumpe kann Zweiphasenfluide sowie Einphasenfluide pumpen. Sie
besitzt viele Anwendungsmöglichkeiten,
die die Verwendung in dem System und dem Verfahren, die in der gleichzeitig
mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten europäischen Patentanmeldung
Nr. 02 252 175.1 (EP-A-1 248 032) erläutert sind, enthalten, jedoch
nicht auf diese beschränkt
sind.
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2 zeigt
eine spezielle Anordnung einer Ausführungsform der Pumpe. 2 zeigt
eine vereinfachte Version der Pumpe, um das Verständnis der
Funktionsweise der Pumpe zu unterstützen.
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In
den 1 und 2 enthält die Hubkolbenpumpe 10 ein
Gehäuse 12,
einen Hubkolben 14 in dem Gehäuse, eine Welle 16,
die mit dem Hubkolben verbunden ist, ein Einlassventil 18,
ein Auslassventil 20 und ein Zwischenstufenventil 22.
Fluid tritt bei einem geringeren Druck in den Einlass 24 der Pumpe
ein und verlässt
den Auslass 40 der Pumpe bei einem höheren Druck. Eine Dichteinrichtung
zwischen den Innenwänden 26 des
Gehäuses
und der äußeren Oberfläche des
Kolbens ist durch Kolbenringe 28, die an dem Kolben angebracht
sind, vorgesehen. Eine Dichteinrichtung zwischen den Innenwänden des
Gehäuses
und der äußeren Oberfläche der Welle
enthält
Hochdruck-Wellendichtungen 30 und Niederdruck-Wellendichtungen 32.
Ein Auslass 34 in dem Gehäuse anliegend an die Welle 16 stellt
eine Einrichtung für
die Dampfrückführung zu
einem (nicht gezeigten) Vorratsbehälter für das kryogene Fluid bereit.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse
zylindrisch. Ein Fachmann wird jedoch anerkennen, dass das Gehäuse andere
Formen aufweisen kann.
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Das
Einlassventil 18, das einem Sicherheitsventil ähnlich ist,
lässt Fluid
in die Kompressionskammer 36 der ersten Stufe (oder in
die erste Stufe oder in die erste Kammer) ein, wenn sich der Kolben 14 zurück bzw.
in den 1 und 2 nach links bewegt. Gleichzeitig
wird Fluid aus der Kompressionskammer 38 der zweiten Stufe
(oder aus der zweiten Stufe oder aus der zweiten Kammer) durch das
Auslassventil 20, das ebenfalls einem Sicherheitsventil ähnlich ist,
ausgestoßen.
Das Zwischenstufenventil 22 ist während des Ansaughubes geschlossen. Wenn
der Kolben den Kompressionshub beginnt, indem er sich in den 1 und 2 nach
rechts bewegt, schließt
das Einlassventil und das Zwischenstufenventil öffnet. Fluid fließt dann
durch das Zentrum des Kolbens in die zweite Stufe der Pumpe. In Abhängigkeit
von der Kompressionsfähigkeit
des Fluids und den Systemdrücken
kann das Fluid außerdem
aus dem Auslassventil ausgestoßen
werden. Da das Volumen der zweiten Stufe geringer ist als das Volumen
der ersten Stufe, wird ein nicht komprimierbares Fluid durch die
Pumpe und aus dem Auslass 40 fließen. Wenn das Fluid komprimierbar
ist, wird es in Abhängigkeit
von den Systemdrücken
und den Fluidbedingungen auf eine höhere Dichte komprimiert.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden für
das Einlassventil 18, das Zwischenstufenventil 22 und
das Auslassventil 20 federbelastete Ventile verwendet,
wie in 2 gezeigt ist. (Siehe z. B. die Feder 42 des
Einlassventils 18 in 1.) Ein
Fachmann wird jedoch anerkennen, dass andere Typen von Ventilen
verwendet werden können,
wie etwa Ventile, die andere Typen von Vorbelastungseinrichtungen und/oder
Betätigungseinrichtungen
aufweisen.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise der Kolbenringe 28 werden
in der gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten
europäischen
Patentanmeldung Nr. 02 252 191.8 (EP-A-1 255 041) genauer erläutert.
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Infolge
Reibung wird durch die Kolbenringe 28 Wärme erzeugt. Die Menge der
erzeugten Wärme ist
wesentlich und kann die Leistungsfähigkeit der Pumpe 10 beeinträchtigen,
wenn die Wärme
in das Fluid eintritt, bevor es gepumpt wird. Wärme wird dann erzeugt, wenn
die Kolbenringe gegen die Innenwände 26 gedrückt werden,
wenn ein hoher Differenzdruck über
die Kolbenringe vorhanden ist und die Reibungsbelastungen groß sind.
Bei dieser Zweistufenpumpe ist dieser Zeitpunkt dann, wenn sich
der Kolben 14 in dem Ansaughub befindet, d. h. der Kolben
bewegt sich in den 1 und 2 nach links und
Fluid wird durch den Einlass 24 angesaugt. Zum gleichen
Zeitpunkt leckt etwas Fluid an den Kolbenringen vorbei und in die
Kompressionskammer 36 der ersten Stufe, wobei es bei dem
Vorgang Wärme
von den Innenwänden
und den Kolbenringen aufnimmt. Wenn ein kryogenes Fluid gepumpt
wird, bewirkt diese Wärme,
dass ein Teil des Fluids, das in die Kompressionskammer gezogen
wird, siedet. Um die Wirkung dieses Erwärmungszyklus minimal zu machen, sind
die Kolbenringe so entworfen worden, dass sie während des Kompressionshubes
durch das Auslassfluid gekühlt
werden.
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Während des
Kompressionshubes, d. h. der Kolben 14 bewegt sich in den 1 und 2 nach rechts
und Fluid wird über
das Auslassventil 20 durch den Auslass 40 entladen,
ist die Druckdifferenz in der Pumpe 10 derart, dass Fluid
von der Kompressionskammer 36 der ersten Stufe mit höherem Druck
zu dem Auslass mit geringfügig
geringerem Druck strömt.
Es gibt einen geringen Druckabfall über dem Zwischenstufenventil,
wenn Fluid durch das Auslassventil und aus dem Auslass strömt. Dieser
Druckabfall und die geringe Reibung der Kolbenringe 28 an den
Innenwänden 26 ermöglichen
außerdem,
dass dieses Auslassfluid um die Kolbenringe und längs der Innenwände 26 fließt und dadurch
die Innenwände des
Gehäuses
kühlt.
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Die
Kolbenringe 28 sind so entworfen, dass sie lediglich in
eine Richtung abdichten, was ermöglicht,
dass eine bedeutende Menge des kalten Auslassfluids um die Kolbenringe
und über
die Innenwände 26 des
Gehäuses 12 fließt, wodurch
Wärme abgeführt wird,
die beim Ansaughub erzeugt wird, wenn die Kolbenringe durch die
große
Druckdifferenz gegen die Innenwände
gedrückt
werden. Da das gepumpte Fluid flüssig
ist, gibt es während
der Kompression einen geringen Temperaturanstieg. Die gepumpte Flüssigkeit
ist kalt und dieses kalte Fluid läuft dann während des Auslasshubes um die
Kolbenringe, wodurch es die Kolbenringe und die Innenwände kühlt und
einen Temperaturanstieg der Innenwände und der Kolbenringe verhindert.
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Da
die Pumpe 10 Energie verbraucht, die als Druck gespeichert
ist, besteht keine Notwendigkeit für ein Schwungrad. In der bevorzugten
Ausführungsform
ist die Querschnittsfläche
des Kolbens 14 genau doppelt so groß wie die der Welle 16.
Wenn die Pumpe die maximale Leistung benötigt, was dann der Fall ist,
wenn ein nicht komprimierbares Fluid gepumpt wird, ist der Druck
an der Rückseite
des Kolbens immer nahezu gleich dem Auslassdruck. Der Druck an der
Rückseite
des Kolbens ist kein beliebiger geringerer Zwischenstufendruck,
wenn ein nicht komprimierbares Fluid gepumpt wird. Bei dem Ansaughub
ist der Betrag der Kraft gleich der Hälfte des Produkts aus der Fläche des
Kolbens und der Druckdifferenz über
dem Kolben. Bei dem Kompressionshub ist der Betrag der Kraft wieder
die Hälfte
des Produkts aus der Kolbenfläche
und dem Auslassdruck. In jedem Fall ist der Betrag der Belastung
ungefähr gleich,
was zur Folge hat, dass die Energiemenge, die bei jedem Hub benötigt wird,
ungefähr
gleich ist. Die maximale Energiemenge, die von der Pumpe für einen
gegebenen Einlassdruck und Auslassdruck benötigt wird, wird durch ein nicht
komprimierbares Fluid festgelegt.
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Im
Betrieb treten während
der Vorwärtsbewegung
oder des Vorwärtshubes
des Hubkolbens 14 (d. h. zum Einlass 14 hin) die
folgenden Aktionen auf:
- 1) Das Einlassventil 18 schließt infolge
der Federkraft an dem Einlassventil und dem Differenzdruck über dem
Einlassventil, der das Schließen des
Einlassventils bewirkt. Der Differenzdruck wird erzeugt, wenn sich
das Volumen der Kompressionskammer 36 der ersten Stufe
verringert, wodurch sich der Druck der ersten Stufe vergrößert.
- 2) Der Druck des Fluids in der Kompressionskammer 36 der
ersten Stufe steigt an, wenn sich der Kolben 14 nach rechts
bewegt. Wenn Gas vorhanden ist, kondensiert der Druck das Gas zu
einer Flüssigkeit
oder einem superkritischen Fluid (d. h. der Anstieg des Fluiddrucks
erfolgt näherungsweise
durch einen isentropen Prozess).
- 3) Der Druck des Fluids in der Kompressionskammer 38 der
zweiten Stufe verringert sich, wenn sich der Kolben 14 nach
rechts bewegt. In Abhängigkeit
vom thermodynamischen Zustand des Fluids kann ein Teil des Fluids
seinen Zustand zu einem Gas verändern
und als Gas expandieren (d. h. die Abnahme des Fluiddrucks erfolgt
näherungsweise
durch einen isentropen Prozess).
- 4) Wenn der Druck in der Kompressionskammer 36 der
ersten Stufe über
den Druck in der Kompressionskammer 38 der zweiten Stufe
angestiegen ist, wird das Zwischenstufenventil 22 gegen seine
Federbelastung zwangläufig
geöffnet. Gleichzeitig
werden die Kolbenringe 28 durch ihre Federbelastung aus
ihren entsprechenden Sitzen gedrückt.
Es erfolgt eine Fluidströmung
durch das Zwischenstufenventil und außerdem um jeden der Kolbenringe.
Die Fluidströmung
um die Kolbenringe unterstützt
die Abführung
von Wärme,
die durch Reibung der Kolbenringe an den Innenwänden 26 erzeugt wird.
- 5) Wenn der Druck in der Kompressionskammer 36 der
ersten Stufe über
den Druck am Auslass der Pumpe 10 angestiegen ist, wird
das Auslassventil 20 gegen seine Federbelastung zwangsläufig geöffnet. Es
wird angemerkt, dass sich das Gesamtvolumen der ersten und der zweiten
Stufe während
der Vorwärtsbewegung
des Kolbens 14 verringert. Diese Volumenverringerung ist
gleich dem Produkt aus der Querschnittsfläche der Welle 16 und
der Hublänge.
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Bei
einem absolut nicht komprimierbaren Fluid tritt der oben genannte
Schritt 3 nicht auf und ein Volumen, das gleich der Gesamtverringerung
in der ersten und in der zweiten Stufe (36 und 38)
ist, wird während
der Vorwärtsbewegung
oder des Vorwärtshubes
des Kolbens 14 durch das Auslassventil 20 ausgegeben.
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Im
Betrieb treten während
der Rückwärtsbewegung
oder des Rückwärtshubes
des Hubkolbens 14 (d. h. weg vom Einlass 24) die
folgenden Aktionen auf:
- 1) Das Einlassventil 18 öffnet infolge
des Differenzdrucks über
dem Einlassventil, wobei die Ventilfeder 42 komprimiert
wird. Gleichzeitig schließt
das Zwischenstufenventil 22 infolge der Federkraft am Zwischenstufenventil
und des Differenzdrucks über
dem Zwischenstufenventil, der ein Schließen des Zwischenstufenventils bewirkt. Der
Differenzdruck wird erzeugt, wenn sich das Volumen in der Kompressionskammer 36 der
ersten Stufe vergrößert, wodurch
sich der Druck der ersten Stufe verringert. Während dieses Rückwärtshubes
wird Fluid durch das Einlassventil 18 in die Kompressionskammer
der ersten Stufe angesaugt.
- 2) Wenn der Druck in der Kompressionskammer 38 der
zweiten Stufe über
den Druck am Auslass der Pumpe 10 angestiegen ist, wird
das Auslassventil zwangsläufig
gegen seine Federbelastung geöffnet
und Fluid wird aus der Pumpe gedrückt.
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Die
obige Beschreibung hat sich auf die bevorzugte Ausführungsform
konzentriert. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass weitere Ausführungsformen
und Variationen der Erfindung möglich sind.
Obwohl z. B. die Welle in der bevorzugten Ausführungsform eine Querschnittsfläche besitzt,
die im Wesentlichen etwa einer Hälfte
der Querschnittsfläche
des Kolbens 14 entspricht, kann das Verhältnis dieser
Querschnittsflächen
variiert werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Kolben 14 relativ zu dem Gehäuse 12 bewegbar und das
Gehäuse
hat eine feststehende Position. Ein Fachmann wird jedoch anerkennen,
dass die Pumpe 12 so beschaffen sein kann, dass der Kolben
eine feststehende Position hat und das Gehäuse relativ zu dem Kolben bewegbar
ist.
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Variationen
an der Zwischenstufen-Ventileinrichtung 22 stellen außerdem alternative
Ausführungsformen
bereit. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Zwischenstufen-Ventileinrichtung ein Ventil, das an dem
Kolben 14 angebracht ist, und das Ventil stellt die Fluidströmung von
der Kompressionskammer 36 der ersten Stufe zu der Kompressionskammer 38 der
zweiten Stufe ein. In einer alternativen Ausführungsform ist die Zwischenstufen-Ventileinrichtung
nicht am Kolben angebracht. In diesem Fall gibt es eine (nicht gezeigte)
Einlassöffnung
in der Innenwand 26 des Gehäuses 12 anliegend
an die Kompressionskammer der ersten Stufe und eine (nicht gezeigte)
Auslassöffnung
in der Innenwand des Gehäuses
anliegend an die Kompressionskammer der zweiten Stufe. Eine Übertragungseinrichtung (nicht
gezeigt), wie etwa eine Leitung, überträgt Fluid von der Einlassöffnung zur
Auslassöffnung.
Die Einlassöffnung
steht in Fluidverbindung mit der Kompressionskammer der ersten Stufe
und die Auslassöffnung
steht in Fluidverbindung mit der Kompressionskammer der zweiten
Stufe.
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Die
Pumpe 10 verwendet einen Zweistufen-Lösungsansatz zum Komprimieren
eines kryogenen Einphasen- oder Zweiphasenfluids. Die Art, wie die
Pumpe diese Zweistufenkonstruktion anwendet, ist einmalig. Die Pumpe
verwendet ein einzelnes Gehäuse 12 mit
einem einzelnen Kolben 14, um eine Zweistufenwirkung zu
erzeugen. Durch die Kombination der beiden Stufen in einem Gehäuse ist
die Gesamtkonstruktion viel stärker
vereinfacht und kostengünstiger
als bei Pumpen des Standes der Technik. Sie verringert außerdem die
Energiemenge, die während
jeder Hälfte
des Hubes benötigt
wird, unabhängig
von dem Zustand des zu pumpenden Fluids. Diese Verringerung der
Energie beseitigt die Notwendigkeit eines Schwungrads oder eines überdimensionierten
Motors.
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Die
Zweistufenkonstruktion ermöglicht,
dass das gesamte Fluid durch beide Stufen durchläuft, wenn eine reine Flüssigkeit
gepumpt wird. Vom dem Fluid wird kein Anteil zurückgeleitet oder abgelassen. Während eines
herkömmlich
bekannten Ansaughubes wird Energie für eine Verwendung während eines Kompressionshubes
gespeichert.